关于硅在铸铁中的固溶强化作用（二）

老翻砂匠

        关于硅在铸铁中的固溶强化作用（二）

                                                                来源：[中国铸造协会  李传栻]

  （接上期）

      二、硅固溶强化作用的应用

      硅在球墨铸铁中的固溶强化作用，最近已经受到了广泛的关注。谈到这里，不能不提及我国三十多年前在灰铸铁方面所做的工作。

      1、硅在灰铸铁中的固溶强化作用

      牌号HT250以上的灰铸铁，基体组织都是珠光体。为了确保强度达标，生产中，通常都加入铜、锡、锑之类的合金元素。

      珠光体中，铁素体约占90％，如果适当地提高铸铁中的硅含量，在铁素体中起固溶强化作用，而铸铁组织中又不至于出现铁素体，当然可以节省合金元素，同时也简化了操作。

      1980年前后，北京钢铁学院（现在的北京科技大学）钟雪友等人进行了这方面的研究、试验工作。在灰铸铁碳当量为4.05％左右的条件下，适当地提高硅含量（Si/C比为0.78左右），不加合金元素，铸铁的抗拉强度就可以保持在300 MPa以上。

      20世纪八十年代，这项工艺曾在多家铸造厂得到确认并在生产中应用。

      2、硅在球墨铸铁中的固溶强化作用

      生产球墨铸铁件，球化率、石墨球数量和石墨球平均尺寸等是基本的质量要求。在石墨球化正常的条件下，其切割基体的作用较在灰铸铁中大为减轻。通过控制基体组织，可以在很大的范围内调整球墨铸铁的力学性能，以适应多种不同工况条件的要求。除等温淬火球墨铸铁和高镍奥氏体球墨铸铁外，常规的球墨铸铁目前已有十多种牌号，抗拉强度可以在350 MPa～900 MPa之间改变，最低伸长率则可相应地在22％～2％之间改变。

      QT450-10、QT500-7、QT550-5和QT600-3等牌号的球墨铸铁件，都由控制基体组织中铁素体与珠光体所占的份额，以确保力学性能符合要求。一般说来，生产这类球墨铸铁件时，应力求通过控制铸铁的化学成分和生产过程中的各项工艺条件，使铸件的铸态组织符合要求，以避免费时、耗能的热处理工序。

      在工艺控制不足以确保铸铁的强度的情况下，加入少量铜、镍之类的合金元素，也是常用的应对措施，但是，这样做，既提高了生产成本，还要耗用珍贵的资源。

      随着对球墨铸铁认识的逐渐深化，十多年前，欧洲就开始注意到硅在球墨铸铁中强化铁素体的作用，瑞典的研究工作发现：用途很广的QT500－7牌号球墨铸铁中，将硅含量提高到3.5％，基体组织全部是铁素体，不仅可以在保持抗拉强度在500 MPa的条件下提高伸长率，更为重要的是，铸件的硬度均匀、切削性能显著改善。

      在此基础上，国际标准ISO 1083《球墨铸铁分类》2004年修订时，补充了一项“高硅球墨铸铁”的牌号JS500－10。

      欧洲标准EN 1563《球墨铸铁件》2011年修订时，补充了3项“固溶强化铁素体球墨铸铁”牌号，见表2。

表2  固溶强化铁素体球墨铸铁的牌号和力学性能要求（不同铸件壁厚的最低值）

牌号	铸件壁厚/mm	0.2屈服强度/ MPa	抗拉强度/ MPa	伸长率/ ％
EN-GJS-450-18	≤30	350	450	18
	30≤～≤60	340	430	14
	＞60	由供、需双方商定
EN-GJS-500-14	≤30	400	500	14
	30≤～≤60	390	480	12
	＞60	由供、需双方商定
EN-GJS-600-10	≤30	470	600	10
	30≤～≤60	450	580	8
	＞60	由供、需双方商定

      2012年，德国Herbert Löblich发表了有关硅固溶强化的铁素体球墨铸铁力学性能的研究报告。

      2013年，日本九州大学和日之出水道机器公司技术开发部也对此进行了试验研究。

      三、硅固溶强化球墨铸铁的力学性能

      近年来，关于硅固溶强化球墨铸铁的力学性能，已经发表了不少研究报告。目前见到的文献资料中，日本九州大学和日之出水道机器公司提供的数据比较全面，在这里简要地介绍给大家，供参考。

      试验中，熔炼两种珠光体-铁素体球墨铸铁（QT1，QT2），两种高硅铁素体球墨铸铁（SiQT1，SiQT2），铸造厚度30㎜、高50㎜、长200㎜的U-型试块，然后制成试样，测定力学性能。QT、QT2相当于QT500-7和QT600-3。SiQT1和SiQT2则是在二者是基础上提高硅含量，并相应地调整碳含量和其他成分。

      1、球墨铸铁的成分和金相组织

      高硅球墨铸铁中，相应地降低碳含量，使碳当量大致相当。常规球墨铸铁QT1和QT中，加有少量的铜，并稍稍调高锰含量，以使组织中的珠光体含量符合要求。

      4种球墨铸铁的化学成分见表3，试样金相组织的要点见表4，金相图片见图1。

表3  4种球墨铸铁的化学成分（质量分数，％）

铸铁编号	C	Si	Mn	P	S	Cu	Mg	Cr
SiQT1	3.22	3.82	0.24	0.020	0.009	0.01	0.042	0.031
QT1	3.65	2.24	0.40	0.016	0.006	0.22	0.040	0.024
SiQT2	3.04	4.40	0.27	0.022	0.004	0.01	0.037	0.036
QT2	3.68	2.12	0.41	0.013	0.009	0.34	0.034	0.023

表4   4种球墨铸铁试样金相组织的要点        

铸铁编号	球化率/％	石墨球平均直径/μm	石墨球所占的面积/％	铁素体与珠光体之比
SiQT1	96.0	20.2	20.2	全铁素体
QT1	96.4	16.7	16.7	约6∶4
SiQT2	95.9	14.0	14.0	全铁素体
QT2	94.9	18.6	18.6	约2∶8

                               
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图1   试样的金相组织

      2、抗拉强度、屈服强度和伸长率

　　为了了解各种球墨铸铁抗拉强度与伸长率的关系，进行了大量的拉伸性能测试。常规球墨铸铁取了90种试样，其抗拉强度在400～700 MPa之间，铜含量和锰含量也稍有差别；高硅球墨铸铁取了19种试样，抗拉强度在500～600 MPa之间，硅含量在3.3～4.65％之间。

　　抗拉强度与伸长率的关系见图2，屈服强度与伸长率的关系见图3。图2和图3中，黑点是常规球墨铸铁的数据，空白点是高硅球墨铸铁的数据。为了与现行标准的要求比较，两图中的小方块是标准规定的抗拉强度、屈服强度和伸长率的最低值，其间还有联有曲线，落在曲线右方的数据都符合标准要求。

                               
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图2 几种球墨铸铁抗拉强度与伸长率的关系            

                               
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图3 几种球墨铸铁0.2％屈服强度与伸长率的关系

                               
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图4 几种球墨铸铁抗拉强度与0.2％屈服强度的关系

                               
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图5  4种球墨铸铁的S-N曲线

                               
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图6 不同温度下V-形缺口试样的冲击吸收能量

　　由图2可见，在抗拉强度相同的条件下，高硅球墨铸铁的伸长率比常规球墨铸铁高。由图3可见，在伸长率相同的条件下，高硅球墨铸铁的屈服强度比常规球墨铸铁高得多。

　　图4表示几种球墨铸铁抗拉强度和屈服强度的关系。由图4可见，在抗拉强度相同的条件下，高硅球墨铸铁的0.2％屈服强度比常规球墨铸铁高得多，硅的固溶强化作用使球墨铸铁的屈强比大为提高。

      3、疲劳特性

　　就表3所列的4种球墨铸铁进行了旋转弯曲疲劳试验，应力振幅与断裂循环次数的关系见图5。硅固溶强化的球墨铸铁，疲劳极限高于常规的球墨铸铁。

                               
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图7 不同温度下U-形缺口试样的冲击吸收能量

                               
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图8 不同温度下无缺口试样的冲击吸收能量

      4、冲击韧性

　　为了了解硅固溶强化对球墨铸铁冲击韧性和脆性转变的影响，就SiQT1和QT1两种球墨铸铁，测定了标准试样在不同温度下的冲击吸收能量。试验中，分别用V-形缺口试样、U-形缺口试样和无缺口试样进行测定，以考察其对缺口形状的敏感性。图6、图7、和图8中，黑点是QT1的测定值，空白点是SiQT1的测定值。

　　V-形缺口试样测定的结果见图6。在70℃以上，SiQT1的冲击吸收能量大于QT1，但是，SiQT1的脆性转变温度（T）很高，大约在67℃，而QT1的脆性转变温度则在－11℃左右，二者的差别相当大。

　　U-形缺口试样测定的结果见图7。在60℃以上，SiQT1的冲击吸收能量大于QT1，但是，SiQT1的脆性转变温度（不同温度下V-形缺口试样的冲击吸收能T）虽然比V-形缺口试样的略有下降，但还是很高，大约是60℃。QT1的脆性转变温度在仍然在－11℃左右。

　　无缺口试样测定的结果见图8。用无缺口试样测定时，SiQT1的脆性转变温度大约是11℃，比用两种有缺口试样测定的转变温度大幅度下降。

　　在11℃以上，SiQT1的冲击吸收能量大于QT1。但是，用无缺口试样测定时，QT1的脆性转变温度很低，在－80℃以上未见明显的脆化的迹象。

      5、几点综合的看法

　　基于对上述数据的分析，大体上可建立以下的以下看法：

      1）在球墨铸铁中，硅固溶于铁素体，有抑制珠光体、促进铁素体的作用，而且，固溶于铁素体的硅能使铁素体强化；

      2）对于基体为珠光体-铁素体混合组织、要求抗拉强度600MPa及低于此值的球墨铸铁，将硅含量提高到3.8％～4.4％，可以得到全铁素体组织，在抗拉强度满足要求的条件下，屈服强度、伸长率都有较大幅度的提高。同时，制得的铸件硬度均匀，加工性能明显改善；

      3）如要求抗拉强度在700MPa以上，则硅固溶强化的铁素体球墨铸铁不能满足要求；

      4）硅固溶强化的球墨铸铁，疲劳极限优于常规球墨铸铁；

      5）硅固溶强化的球墨铸铁，脆性转变温度很高：用V-形缺口试样和U-形缺口试样测定时，脆性转变温度都高于室温，在60℃以上；用无缺口试样测定时，也在10℃以上。因此，硅固溶强化的球墨铸铁不宜用于制造结构上有应力集中部位的铸件，尤其不宜用于在低温条件下承受冲击载荷的铸件；

      （6）在脆性转变温度以上，硅固溶强化的球墨铸铁的冲击韧性优于常规球墨铸铁。
                                                  （完）   
   
                                                   （本文章来源于：中国铸造协会）